Structure and Dynamics of Magneto-Inertial, Differentially Rotating Laboratory Plasmas

磁电机 等离子体 动力学(音乐) 惯性参考系 物理 经典力学 核物理学 声学 热力学 功率(物理)
作者
V. Valenzuela-Villaseca,L. Suttle,F. Suzuki-Vidal,Jack Halliday,D. R. Russell,S. Merlini,E. R. Tubman,Jack Hare,J. P. Chittenden,M. E. Koepke,Eric G. Blackman,S. V. Lebedev
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
标识
DOI:10.48550/arxiv.2403.20321
摘要

We present a detailed characterization of the structure and evolution of differentially rotating plasmas driven on the MAGPIE pulsed-power generator (1.4 MA peak current, 240 ns rise-time). The experiments were designed to simulate physics relevant to accretion discs and jets on laboratory scales. A cylindrical aluminium wire array Z pinch enclosed by return posts with an overall azimuthal off-set angle was driven to produce ablation plasma flows that propagate inwards in a slightly off-radial trajectory, injecting mass, angular momentum, and confining ram pressure to a rotating plasma column on the axis. However, the plasma is free to expand axially, forming a collimated, differentially rotating axial jet that propagates at $\approx 100$ km/s. The density profile of the jet corresponds to a dense shell surrounding a low-density core, which is consistent with the centrifugal barrier effect being sustained along the jet's propagation. We show analytically that, as the rotating plasma accretes mass, conservation of mass and momentum implies plasma radial growth scaling as $r \propto t^{1/3}$. As the characteristic moment of inertia increases, the rotation velocity is predicted to decrease and settle on a characteristic value $\approx 20$ km/s. We find that both predictions are in agreement with Thomson scattering and optical self-emission imaging measurements.
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